太空城市方案曝光：旋转太空站模拟重力

斯坦福花床太空居民点

奥尼尔圆桶（太空岛3号）

　　新浪科技讯 北京时间4月26日消息，据国外媒体报道，瑞士科学家米歇尔·梅杰率领的欧洲科学小组于25日宣布，他们发现了一个新的可能适合人类居住的星球。这一发现再一次触动了人类渴望移民太空的敏感神经，很多人会问：人类多久才可能到达这些星球？移民太空究竟有哪些障碍需要克服？移民太空现在有没有具体方案，目前进展到何种程度了？

　　移民太空源于一道物理题

　　太空栖息地也被称为太空殖民地或轨道殖民地，它是一个人类能够在太空长久居住的地点，而不仅仅是太空旅行的一个停靠站或是其它特制的太空设施。它应该是太空中的一座“城市”，人类可以在上面生活、工作和养家。至今太空还没有一座这样的“城市”，但是这种城市的很多设计方案已经被科幻小说家和工程师从各种有现实意义的角度提了出来。

　　大约在70年代阿波罗登月工程完成后，一位名叫杰勒德·奥尼尔的美国实验物理学家为了引起他的本科一年级学生对太空物理的兴趣，头脑中突然有了让他的学生对建造太空栖息地的可行性进行计算分析的想法。不算不知道，一算吓一跳。令他惊奇的是，太空居民点即使建得很大，好像在技术上也是可以实现的！

　　这种大型太空城市应该呈圆柱形，直径5英里(8公里)，长20英里(34公里)长，甚至可以用类似钢铁和玻璃这样的普通材料建成。而且，他的学生还在太空城市无动力机械帮助的情况下解决了类似躲避宇宙射线辐射、和太阳保持一个自然角度、能量供给、无害虫耕种和轨道位置控制这样的难题。奥尼尔有关这种太空殖民地的文章发表在1974年的《当代物理学》杂志上。

　　结果，美国宇航局对这个想法非常感兴趣，他们于是开始资助奥尼尔领导的几个实验室对这个问题进行深入研究。奥尼尔领导他的团队提出了几个太空城市设计方案，一些方案还非常有深度，所设想的这些太空城市可居住人数在1千到1千万人不等。虽然这些设计方案尽量使这些城市能够“自给自足”，但是所设计的所有太空城市都需要从地球或月球定期进行物质补给，特别是那些原材料和易挥发的液体更需要定期供给。封闭的生态系统和积极的生态循环应该可以明显的降低这种依赖性。

　　最近越来越多的研究显示，月球南极很深的火山口附近存在固态冰的可能性很大，而且科学家在上面发现了一些含有例如水和氨(尚需证明)可挥发液体的星状物体。随着这些研究结果的出现，太空城市以后对地球的依赖性就会降低，而不会再向初始研究显示的那样。

　　修建太空城市的动机

　　修建太空城市有几个很明显的因素：安全、经济、能量和原材料。太空城市可能可以比较小的受到对地球有破坏性的一些灾难的影响，例如人口爆炸或大型物体(陨星)落入海洋造成的海洋袭击陆地。虽然单个的太空城市很可能还没有地球安全，然而很多太空城市聚集在一起就可以增加人类在其上面生存的可持续性。太空城市给了人类从地球向外转移的机会。

　　地球上能够发现的物质多数在太空中也可以找到，而且太空还存在大量的能源。如果可以在太空城市中采矿或生产，这样的企业很可能可以赢利。初始投资可能需要很大，但是它潜在的赢利空间却是无限的。例如，一些人的提议称，太空城市中的一个家庭或一家公司的收入可能会是在地球上的3或4倍(尚待证明)。而且太空生活或创业成本也比较低。一些提议估计在大型经济型太空城市中每英亩的土地成本大约仅有3万美元(合每平方米7.5美元)(按1995年美元币值计算)(尚待证明)。虽然太空城市的农业土地价格昂贵，但是城市土地价格却比较便宜。

　　由于太阳系中存在巨多可以用来建造太空城市的物质，而且太空城市还可以脱离行星引力让运输这些建筑材料的成本变得相对比较便宜，所以大型的太空城市系统是可以让很多人在其中永久性的生活工作的。和外空间相比，地球面积是相当小的，现在地球人口密度过大，人类在上面显得非常拥挤。

　　躲开行星的阴影，太空城市1天24小时可以利用太阳能。Zero-g公司发明的极大而又极薄的聚光镜能够持续收集到充足的阳光。而且，除了太阳能之外太空城市还可以利用核能。

　　太空城市优势多多

　　太空城市和地球社区相比，有一系列的潜在优势：

　　1. 通过改变太空城市的运转速度，可以调整人在上面受到的重力。这一点对在太空出生和生活的人重返地球时非常重要，因为在重力小的天体(例如月球或火星)出生的人的骨骼力量不足，这种人不穿特制衣服骨骼在重力较大的地球上功能就不正常。

　　2 资源开发。包括太阳系中的星状物质。

　　3 持续不断的获得太阳能。

　　4 巨大的人口承载能力。利用太阳系中自由浮动的天体资源，现在估计它们可以容纳3万亿人口。

　　5 和星球定居点相比，太空城市能够比较方便的和地球开展贸易。这是因为太空城市的重力不大可以很好的往地球上出口物质，而较小的重力又让太空城市从地球上进口物质变得比较容易。

斯坦福花床太空居民点

奥尼尔圆桶（太空岛3号）

　　太空居住区的难题

　　为了维持正常、健康并且适合人类居住的生活环境，太空栖息地还要解决许多难题。

　　内在生命支持系统

　　大多数太空栖息地都被一层薄气压墙包围起来，这样做是为了维持正常的氧气、二氧化碳和氮气水平。氧气可以从月岩中获取，氮气虽然要从地球上运输过去，成本高昂，但是几乎可以100%循环利用。此外，在一些彗星和外空行星上也可能找到氨水，用氨水分享氮气就方便多了。

　　还有一些情况则难以预测，氮气也可能在外太阳系某种生命体内找到。这些空气能够通过许多种方便加以循环利用，最明显的方法莫过于建造光合作用花园了，可能会使用水耕法或以森林公园的形式进行管理。但是，这些方法不能排除一些工业污染物的困扰，比如挥法性的油类和一些燃料气体。标准的方法应该在核潜艇上使用接触反应炉，这样可以有效地去除大多数杂质，为了提供更进一步的保护，还可以使用低温蒸馏系统，以便逐渐移除各种杂质，比如水银和一些接触反应无法燃料掉的惰性气体。

　　另外，还必须准备食物生产所必须的有机原材料。首先，毫无疑问这些有机原料都得从月球、小行星或地球进口，然后进行循环利用，以逐步减少进口量。一种循环利用方法是在电弧下燃烧低温蒸馏物、植物、废物和污物，然后再进行蒸馏分离。蒸馏得到的二氧化碳和水可以直接用于农业生产，各种硝酸盐可以溶解到水中并分解成纯的矿物质。大多数的硝酸盐、钾盐和钠盐作为肥料可以有效地加以循环利用。其它矿物质，如铁、镍和硅可以分批进行化学净化处理，并能通过工业的方法进行再生。至于一些需要量低于总量0.01%的矿物原料，在零力下用质谱分析法进行生产，就可以满足太空工业和农业的需求量。目前，这种方法只有美国宇航局的实验室采用，在人类正式移居太空之前，这一方法还需进行进一步改进。

　　人造重力

　　长期的太空飞行已经证明会削弱骨骼和肌肉，打乱钙代谢和正常的免疫系统，大多数人会出现连续不断鼻塞或流鼻涕，一些人会患上不能治愈的运动病。鉴于此，多数太空殖民地都设计成可以旋转的，以模拟出地心引力。美国宇航局用鸡和植物进行研究发现，地心引力是一种重要的生理学需求。在这种环境下，将人体快速进行旋转，会引起一种“倾斜”，内耳中的感应器可以感受到不同的旋转比率。离心分离机的研究表明，当旋转半径小于100米，转速高于3转／分的情况下，人们会患运动疾病。但是，相同的研究和统计学推论显示出，在旋转半径大于500米，转速低于1转／分的情况下，几乎所有的人都能够舒适的生活。虽然有经验的人也不能抵抗运动病，但至少可以根据他们的经验调整离心分离机旋转的方向和角度。

　　保护太空间栖息地免遭辐射

　　太空辐射有两大明显问题。其中一个问题就是宇宙射线，其使得太空站每年受到80毫西弗特的辐射，超过50毫西弗特的最大安全辐射下限，远超过3毫西弗特的最大人体安全下限。另一个问题就是太阳耀斑，其偶尔发散数量惊人的软X射线以及高能粒子。其能产生超过4西弗特的辐射量，这对一半人来说都是致命的。研究中最有趣的结果就是太空居所外层钢板轻易就超过2米的厚度，因此其构造和空气有效屏蔽了许多辐射。小型太空居所也能防护许多静止的(不回转的)岩石对其造成损害。有了防辐射遮光栅格阳光也只能通过镜子间接射入太空居所，其起到了潜望镜的作用。

　　热处理

　　太空栖息地是在一个真空中，因此就像一个巨大的热水瓶，所以，既需要处理好来自太阳的热量，也要处理栖息地内部所产生的热量。

　　外来物

　　太空栖息地需要有足够的保护层，防止太空碎石、陨石以及尘埃等意外袭击。

　　太空运输与控制

　　轨道定位：最理想的栖息地轨道仍在讨论当中，可能已成为一个商业问题。通俗地说，就是如何以最低的成本将修建太空基地所需要的材料运往太空。绝大多数“殖民地”设计打算利用电磁缆绳推进器或者质量驱动器充当火箭的发动机。

　　姿态控制：绝大多数磁镜几何学需要栖息地上的一些东西瞄准太阳。奥尼尔最初的设计是利用两个在“殖民地”上滚动的圆柱体充当动力轮，利用进动改变它们的角度实现向日点的“聚散离合”。后来的设计则是让它们的轨道平面旋转，它们的“窗口”将瞄向正确的对日角度，同时利用轻重量的磁镜——可利用小型电动发动机对其进行操控——紧随太阳移动步伐。

　　六大设计方案出炉

　　美国宇航局研究中提出的设计方案有以下几个：

　　1.伯纳尔球体——“太空岛1号”：一个球形栖息地，可容纳大约2万人。

　　2.斯坦福花床：一个相对较小的“太空岛1号”的替代品。

　　3.奥尼尔圆桶——“太空岛3号”：规模最大的设计。

　　4.“刘易斯1号”。

　　5.“大刀”：一艘宇宙飞船或者栖息地——使用一条缆绳与一个平衡物或者另一个栖息地相连。

　　6.珠状栖息地：这种冒险性设计同样在美国宇航局的考虑范围之内。它们拥有一个粗造的等效质量分数结构，因此要付出与之相对应的成本。小型栖息地将被大量制造并达到允许栖息地相互连接的标准。一个单独的栖息地也能像“大刀”一样运转。但随着“捆绑”其它栖息地，这把“大刀”会一步步成长壮大——先是成为一个“哑铃”，而后是一个“蝴蝶结”，一个圆环，一个由珠状物组成的圆柱体，最终成为一个带外框的圆柱体编队。每一个成长阶段都将共享更多的防辐射装置和中央设备，同时提高超静定性和安全性，降低每一个太空移民的成本。

　　这种设计最初是由一名职业建筑师提出来的，它的成长过程与地球上的城市非常类似。与其它需要庞大启动资金的设计有所不同的是，珠状栖息地的资金投入是一步步增加的。其主要劣势在于：即便是更小的版本也需要一个庞大的结构支持与其一同运转的防辐射装置。而在个头增大的情况下，防辐射装置则变得经济适用起来，原因在于：它会随着“殖民地”活动范围成方形“壮大”。太空移民的人数、他们的栖息地以及散热器也会随着“殖民地”活动范围成立方形“壮大”。(杨孝文)

          [来源于新浪科技]